硬质合金的发展历程
- 分类：钨业知识
- 发布于 2015年九月01日
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19世纪末叶，人们为了寻找新的材料来取代高速钢，以进一步提高金属切削速度，降低加工成本和解决灯泡钨丝的拉拔问题，开始了对硬质合金的研究。早期的工作主要是集中在碳化钨的研究。从1893年来，德国科学家用三氧化钨和糖高温加热制取了碳化钨，但因其脆性大，易开裂和韧性低等原因，一直未能得到工业应用。
20世纪20年代，德国科学家施律太儿（Schroeter）研究发现纯碳化钨只有加入了低熔点的金属才能使毛坯具有一定的韧性。他于1923年首先提出了用粉末冶金的方法，即将碳化钨与少量的铁族金属（铁、镍、钴）混合，然后压制成型并在高于1300°C温度下于氢气中烧结来生产硬质合金的专利。从此硬质合金生产技术迅速发展。其工艺实质上就是目前仍有厂家在采用的WC-Co硬质合金生产工艺。
但是WC-Co硬质合金在加工钢材时很容易因磨损而损坏，1929年德国科学家发现用两种以上的碳化物组成的固溶体比用单一的碳化物作为硬质合金基体更为优越，并提出了有关固溶体应用的专利。同年德国公司开始生产WC-TiC-Co的合金。不久科学家又研究出WC-TiC-TaC-Co合金，从而使钢材加工问题得到妥善解决。
二战以后，开始研究可转位硬质合金刀具，这种刀具无需焊接，可随时调换刀头，刀杆可长期使用，经济效应显著。1953年可转位刀片问世，是硬质合金工业的重大进展之一。
20世界60年代，德国公司成功研制了涂层硬质合金，是生产技术的有一大重大进展。其采用气相沉积的方法，在普通合金刀片表面涂上薄薄的一层硬质化合物（如TiC，TiN等）而得到涂层刀片，比无此类涂层的硬质合金刀片寿命增加好几倍，而且切削速度提高25-30%左右。目前世界上所出售的可转位刀具中有一大半是涂层硬质合金。
随后，人们除在硬质合金领域开展基础研究外，更多集中在生产技术和工艺设备的改进创新上。60年代末研究开发并引入硬质合金生产领域中的热等压技术，是一重大成果。这种方法生产的合金，孔隙度极地，断裂韧性和抗冲击性均有很大提高。70年代移入喷雾干燥技术，从而获得质量稳定、流动性好、压制性能优良的粉末粒料，加上不断提升性能的自动压力机，使混合粒制备到压坯成型，流程缩短，产品精度提高，并可实现连续化、自动化生产，提高了可转刀片的高质量生产。
20年代80年代以来，硬质合金工业发展特点：1.涂层硬质合金发展迅速，产量大幅增加，应用领域不断扩大。2.涂层技术方面也较大发展，除了改进和完善高温化学气相沉积法外，还研制和推广了中温化学气相沉积法和各种物理气相沉积法，以及等离子体化学气相沉积方法等。3.硬质合金涂层基体方面，出现各种加工用的涂层专用基体，而且开发出带富钴层或脱β的涂层基体，明显提高了合金强度。4.70年代初出现超细合金，并在80年代迅速发展。首先是美国的R19,然后是1984年日本的双高AF1合金，硬度RA93.0，强度5000MPa，为当时世界之最。其他国家也相续开发了性能越来越好的硬质合金。
20世纪80年代研制和普及了低压热等静压技术是硬质合金领域的突破型技术进展，使得低成本生产十分接近理论致密度的硬质合金成为现实。从1989年美国第一台低压热等静压设备以来，该设备遍及世界，我国也开始普遍使用。
20世纪80年代，硬质合金工业另一个特点是硬质合金制品向精密化小型化发展，出现了微型麻花钻头、点阵打印针、精密工模具等高新产品。切削工具尺寸精度越来越高，有的先进厂家已经淘汰U级硬质合金刀片精度，进而达到微米级、超微米级。加之设备和生产线的自动化、智能化，推动硬质合金工业向更高端发展。
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硬质合金概述—概念和基本属性
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硬质合金是由难熔金属硬质化合物和黏结金属或合金，用粉末冶金方法生产的复合材料。它是一种金属陶瓷。难熔金属硬质化合物通常是指元素周期表第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ族中的过渡元素（钨、钛、钽、铌、铬、钒、钼、锆、铪）的碳化物、氮化物、硼化物和硅化物。硬质合金中广泛使用使用的是碳化钨、碳化钛、碳化钽、和碳化铌。这些碳化物的共同特点是：熔点高、硬度高、化学稳定性好、热稳定性好。黏结金属最好的的是钴，其次是镍和铁。硬质合金具有下列优点和特点：
（1）高硬度、高耐磨性及较高的高温硬度。硬质合金的室温硬度可以达到HRA94，高温硬度600°C时超过高速钢的常温硬度，1000°C时超过碳钢的常温硬度。
（2）高弹性模量，通常为390-690GPa
（3）高抗压强度，可达6GPa。
（4）某些硬质合金有很好的化学稳定性。耐酸、耐碱，甚至在600-800°C下也不发生明显氧化。
（5）较小的热膨胀系数；导热系数与铁及其合金接近。
（6）冲击韧性比较低。
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白钨精矿冶炼钨铁
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一种用白钨精矿冶炼钨铁的方法，使用专用的三相电弧炉冶炼钨铁，其特征在于：冶炼钨铁的步骤是： a首先是电弧炉预热，将电弧炉加热升温使之达到符合冶炼时的温度； b加入钢屑，继续加热，使炉温升至1800-2000℃； c再用在炉外配好的炉料分批投炉冶炼，取总批量的三分之二炉料和按总用量三分之一的沥青焦一起投炉加热至一定温度区域进行精炼；经精练1小时后，炉温升至2500-3000℃，使炉内熔体的WO3有80％以上还原； d精练快结束前挖铁，挖铁时按边挖铁边精练边加料的步骤再加入总批量的三分之一炉料和总用量三分之一的沥青焦； e挖完钨铁后再加入三分之一的沥青焦进行贫渣、倒渣，钨铁产品经水冷却后精整包装入库；上述冶炼钨铁的方法，其在炉外配炉料的配方为：白钨精矿70％～80％， FeO4％～9％，SiO23％～7％，FeSi4％～9％，含量98％的Fe1％～5％；将上述配方成分充分掺和匀即可。
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钨铁冶炼
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钨铁是钨与铁的合金。它用于炼钢和铸造中作为钨元素的合金加入剂，钨铁是生产特殊钢的最重要的合金元素之一，广泛用于炼制高速工具钢、合金结构钢、磁性钢、耐热钢和不锈钢等。钨在钢中能和同其它元素结合成复杂的碳化物，使钢的晶粒变细,因而能提高钢的红硬性、耐磨性和冲击强度,可使钢的延伸率减少程度不大的同时，提高钢的强度极限和屈服点，还可提高钢的硬度和耐磨性。特别重要的是钨对钢的高温机械性能具有良好的影响，它能提高乃热性及回火稳定性。钨铁是法定检验商品.
延伸产品：钨条、钨条头、钨丝、钨粉、碳化钨、氧化钨、钨杆等一系列钨产品。APT（APT是钨酸盐之一仲钨酸铵的英文名称缩写（Ammonium Paratungstate）。主要生产省份有江西、湖南、福建。主要出口地区为欧洲、日本和美国。APT主要用于生产钨粉并进一步生产钨条、杆、板、丝或碳化钨、硬质合金等产品；而钨铁则用于生产特钢中的高速工具钢、模具钢进而生产机床工具。
生产成本构成：钨精矿单价*1.6吨+10000（水电费等一切费用）1吨钨铁冶炼综合电耗大约4000kwh，一吨钨铁消耗钨精矿约为1.56-1.67吨。
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炉外法生产钨铁的杂质含量
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炉外法生产钨铁用与氧亲合力的金属去还原与氧亲合力小的金属氧化物称为金属热还原法。采用金属热还原法时，如果冶炼过程化学反映放出的热能，足够把合金和炉渣加热到必需的温度而无需外界供给热量，冶炼则可在电炉外进行，称为炉外法。
原材料技术条件混配后的钨精矿要求WO3≥65%，其杂质含量要求如下：杂质成分
|
杂质成分 |
S |
P |
Cu |
Sn |
As |
MnO |
|
最高含量/% |
0.60 |
0.035 |
0.10 |
0.20 |
0.15 |
10 |
铝粒要求：Al≥97%，Cu≤0.02%，粒度0.5-1.5mm。硅铁要求：Si≥75%，Mn≤0.2%，P≤0.03%，S≤0.03%，C≤0.10%，粒度1mm以下。铁磷要求：Fe≥65%，P＜0.04%，S＜0.04%，C≤0.10%，粒度小于1mm。萤石要求：CaF2≥80%，粒度3mm以下。
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